В предыдущих публикациях (см. «Новости ЭлектроТехники» № 5(65), 6(66) 2010 и № 1(67) 2011) авторы отмечали, что обеспечение электробезопасности в городских и поселковых сетях с воздушными линиями электропередачи 6–35 кВ напрямую связано с отключением однофазных замыканий релейной защитой и необходимостью внедрения режима заземления нейтрали таких сетей через резистор. Такие решения предотвращают переход однофазных замыканий (ОЗЗ) в двойные и практически исключают электропоражения населения и животных не только у ВЛ и ПС 6–35 кВ, но и в сети 0,4 кВ, нулевые проводники которой подсоединены к заземлителям ПС.
Опыт эксплуатации разработанной в НГТУ индивидуальной направленной защиты от ОЗЗ выявил ее недостаточную надежность, что связано в первую очередь с многообразием видов и режимов ОЗЗ. Поэтому городскими электрическими сетями г. Ханты-Мансийска было принято решение об установке на вновь вводимых РП и ТП централизованных микроконтроллерных защит от ОЗЗ, также разработанных в НГТУ.

ГОРОДСКИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
Опыт эксплуатации централизованных микроконтроллерных защит

Сергей Дмитриев, директор МП «Городские электрические сети» муниципального образования, г. Ханты-Мансийск
Валерий Ерушин, к.т.н., доцент, Иван Тимофеев, к.т.н., зав. кафедрой, Юрий Целебровский, д.т.н. профессор,
Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ЗАЩИТЫ

В отличие от индивидуальных защит, использующих различные принципы [1], централизованная защита позволяет одновременно сравнить токи во всех присоединениях и в результате этого сравнения выбрать присоединение с ОЗЗ. Из всех принципов действия централизованных защит наиболее предпочтительным является принцип относительного замера токов нулевой последовательности (НП) в каждом присоединении. Принцип сравнения амплитуд переходных токов, предложенный еще во второй половине прошлого века [2, 3], не нашел широкого распространения как из-за несовершенства существовавшей в то время элементной базы, так и по ряду других причин.

Возможности современной микроконтроллерной техники позволяют производить такие измерения единовременно во всех присоединениях секции сборных шин и по максимальному значению тока НП определять поврежденный фидер [4].

На рис. 1 представлена структурная схема микроконтроллерной защиты. Ввиду большого числа обрабатываемых присоединений, устройства сопряжения (УСО), состоящие из входных преобразователей и выходных управляющих реле, могут быть выполнены в виде отдельных модулей (по числу присоединений) и установлены в ячейке в непосредственной близости от трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП), что позволяет уменьшить нагрузку на ТТНП. С выхода преобразователей токовые сигналы подаются на входы операционных усилителей (ОУ), обеспечивающих требуемый уровень сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП). АЦП преобразует аналоговые сигналы, поступающие от операционных усилителей, в 12-разрядный двоичный код. Вследствие большой неопределенности в уровнях входных сигналов коэффициент усиления ОУ может автоматически изменяться с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП), включенного в цепь обратной связи ОУ.

Рис. 1. Структурная схема микроконтроллерной защиты

Микроконтроллер (МК) реализует заданный алгоритм вычисления токов по всем присоединениям, определяет номер поврежденного присоединения, управляет работой выходных реле, установленных в УСО, сигнального реле, интерфейсами связи, формирует протоколы срабатывания, производит осциллографирование мгновенных значений токов, напряжений нулевой последовательности и дискретных сигналов с программируемым шагом дискретизации по времени, осуществляет самотестирование.

В устройстве предусмотрены два интерфейса RS-485, позволяющие иметь связь с внешней информационной сетью и обеспечивающие возможность подключения переносного компьютера без снятия оперативного питания с устройства. В эксплуатационном режиме один из интерфейсов подключен к блоку управления и индикации.
Высокоскоростной интерфейс CAN позволяет подключить другие аналогичные устройства для организации совместного взаимодействия всех устройств и получения дополнительных функций защиты.

АЛГОРИТМЫ, РЕАЛИЗУЕМЫЕ ЗАЩИТОЙ

В сложной городской сети с множеством ТП и РП, соединенных в параллельные и последовательные цепи, при замыкании на землю изменения токов происходят практически во всей сети, но защита должна сработать именно на конкретной ТП (РП) и отключить конкретное присоединение. Для этого в защите реализовано несколько алгоритмов.

Алгоритм относительного замера токов присоединений

Этот алгоритм используется в качестве основного. Пуск защиты производится по факту срабатывания пускового органа по напряжению нулевой последовательности. Для этого в защите предусмотрены дискретные (от реле напряжения) и аналоговые входы (от УСО по напряжению). Алгоритм относительного замера эффективен при большом числе присоединений, когда ток в поврежденном присоединении с требуемым коэффициентом запаса превышает максимальный из токов неповрежденного присоединения. Для этого алгоритма число присоединений должно быть не менее трех.

Алгоритм относительного замера не работает при ОЗЗ на вводе или на секции сборных шин. Использование только этого алгоритма приведет к отключению неповрежденного присоединения с максимальным током. Аналогичная ситуация возможна при использовании двух комплектов защит на одном РП (для каждой из двух секций шин) и отсутствии ТТНП на секционном выключателе.

Токовый направленный алгоритм

Он позволяет исключить отмеченные выше недостатки алгоритма относительного замера, а также придать защите дополнительные свойства. Известно, что при ОЗЗ токи в поврежденном и неповрежденных присоединениях направлены противоположно. При замыкании на секции токи присоединений будут иметь одинаковое направление. Таким образом, при ОЗЗ на секции шин вычисленное действующее значение суммы мгновенных токов i_j всех n-присоединений будет равно току в месте замыкания и будет больше максимального из токов присоединения I_{k max}:

. (1)

При замыкании на отходящем присоединении векторная сумма токов неповрежденных присоединений равна в идеальном случае току НП поврежденного присоединения. Действующее значение суммы мгновенных токов всех n-присоединений будет в этом случае близко к нулю и будет выполняться неравенство:

, (2)

где I₁ – ток НП поврежденного присоединения (I₁ = I_{k max}).

Таким образом, если выполняется условие (1), защита сигнализирует о наличии ОЗЗ на секции. Если выполняется условие (2), защита действует на отключение присоединения с максимальным током.

Логический алгоритм

Использование алгоритма относительного замера для защиты присоединений распределительных пунктов (РП), удаленных от центра питания, невозможно, поскольку емкостный ток от вводного присоединения РП – I_Cввод, представляющий суммарный ток всей внешней по отношению к РП сети, может на порядок и более превышать суммарный емкостный ток присоединений РП в случае ОЗЗ в точках К1 или К2 (рис. 2). В этом случае ток НП от поврежденного присоединения мало будет отличаться от тока НП вводного присоединения и с учетом погрешностей преобразования и токов небаланса защита может действовать неселективно.

Рис. 2. Схема распределительной подстанции 10 кВ

Для этого случая был предложен логический алгоритм, предполагающий применение пусковых органов по току (ПО) для всех присоединений сборных шин с одинаковой уставкой I_ср. Эта уставка с запасом должна быть меньше минимально возможного тока НП внешней сети (вводного присоединения), но больше максимального из токов НП отходящего присоединения защищаемого РП:

где I_CΣ,max – максимальный суммарный емкостный ток всех присоединений секции;
K_отс.1 = 1,15, K_отс.2 = 0,85 – коэффициенты отстройки;
I_СР,М – ток срабатывания ПО при металлическом ОЗЗ;
I_CΣ,min,ВН – минимальный суммарный емкостный ток внешней сети.

По состоянию пусковых органов можно реализовать следующий алгоритм действия защиты (рис. 3):

• если пусковой орган сработал и по вводу, и по отходящему присоединению (точка К1, рис. 2), то это присоединение поврежденное, даже если ток в нем меньше, чем во вводном;
• если пусковой орган сработал только по вводу, а максимальный ток в отходящих присоединениях не превысил уставки ПО, то ОЗЗ произошло на шинах (точка К2). Кроме того, контроль тока обоих вводов позволяет определить поврежденную секцию шин;
• если ни один пусковой орган не сработал, то замыкание однозначно является внешним (точка К3), отключение вводного присоединения в таком случае не требуется.

Рис. 3. Упрощенная схема логического алгоритма

Поскольку при ОЗЗ через переходное сопротивление ток уменьшается пропорционально напряжению 3U₀, то для исключения неселективных действий защиты ток срабатывания ПО необходимо постоянно пересчитывать в зависимости от напряжения НП:

,

где I_СР,R – ток срабатывания ПО при ОЗЗ через переходное сопротивление.

Направленный токовый алгоритм

По этому алгоритму измеряется фаза тока НП относительно напряжения НП. Он может использоваться в тех достаточно редких случаях, когда общее число присоединений меньше трех.

ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Эксплуатация централизованных микроконтроллерных защит была начата в городских электрических сетях г. Ханты-Мансийска в 2006 г.

Всего было установлено 8 блоков централизованной защиты, при этом за три года зафиксировано только два факта повреждения на отходящих от секции линиях. Остальные повреждения фиксировались как внешние. Для логического алгоритма диапазон возможной уставки ПО по току на разных РП получился незначительно отличающимся, и для всех подстанций была установлена уставка 30 А. Защиты при этом сработали правильно (табл. 1).

Таблица 1. Ведомость учета работы централизованных защит

Описание вариантов действия защиты:
Вариант 1 – Защита, работающая на сигнал, выявила по-врежденное присоединение. После отключения место повреждения было обнаружено.
Вариант 6 – Защита выявила и отключила поврежденное присоединение.
Вариант 7 – Выявлено ОЗЗ во внешней сети.

----------------------------------------

В ведомости (табл. 1) указано только два замыкания во внешней цепи. На самом деле защиты фиксировали значительно большее число внешних замыканий, которые диспетчерской службой по отношению к рассматриваемым ТП не фиксировались. При этом, однако, велась запись осциллограмм токов НП присоединений и напряжений НП обеих секций шин ТП. За три года работы защит накопилось около 100 осциллограмм различных процессов в сети, при которых происходил пуск защит, в том числе и установленных ранее (см. «Новости ЭлектроТехники» № 1(67) 2011).

Все полученные осциллограммы можно разделить на 3 вида:

• металлические замыкания – 44% (рис. 4);
• дуговые замыкания – 26,5% (рис. 5, 6, 7);
• самоустранившиеся замыкания – 29,5% (рис. 8).

Рис. 4. Осциллограмма характерного металлического замыкания на землю

Рис. 5. Осциллограмма характерного дугового замыкания на землю 1 типа

Рис. 6. Осциллограмма характерного дугового замыкания на землю 2 типа

Рис. 7. Осциллограмма характерного дугового замыкания на землю 3 типа

Рис. 8. Осциллограмма напряжения при самоустранении замыкания на землю

В свою очередь среди дуговых замыканий можно выделить 3 типа:

• 1 тип – преимущественно 2 зажигания дуги за период, что составляет 20,5% от общего числа полученных осцилло-грамм (рис. 5);
• 2 тип – преимущественно 4 зажигания дуги за период (4%) (рис. 6);
• 3 тип – многократные зажигания дуги за период (2%) (рис. 7).

Осциллограмма по рис. 5 иллюстрирует дуговое замыкание на отходящем присоединении. Импульс емкостного тока дугового ОЗЗ превышает амплитудное значение тока НП данной сети при металлическом замыкании примерно в 5–6 раз (см. рис. 4). Амплитудное значение тока в отходящем и вводном присоединении практически одинакое, поскольку ток от непо¬врежденного присоединения №5 очень мал. Защита с заданной выдержкой времени правильно подействовала на отключение присоединения №3 по логическому алгоритму, преимущества которого по сравнению с алгоритмом относительного замера в данном случае очевидны.

ВЫВОДЫ

1. Анализ возникающих режимов работы централизованных защит от ОЗЗ в разветвленных городских электрических сетях с изолированной или резистивно-заземленной нейтралью показал необходимость комбинированного использования предложенных алгоритмов, что позволяет повысить эффективность функционирования защиты, расширить ее функциональные возможности.
2. Использование относительного замера токов при ОЗЗ позволяет не отстраивать защиту от собственного емкостного тока, что повышает чувствительность защиты. Ограничения по чувствительности возможны при ОЗЗ через значительное переходное сопротивление, когда ток от ТТНП поврежденного присоединения становится соизмеримым с токами небаланса, от которых защита должна быть отстроена.
3. Придание централизованной токовой защите свойств направленности позволяет селективно определять повреждение на сборных шинах и вводах понижающей трансформаторной подстанции, что, однако, не приводит к снижению устойчивости функционирования в переходных режимах работы, поскольку в алгоритме не используется напряжение нулевой последовательности.
4. Опыт эксплуатации централизованных микроконтроллерных защит, установленных на РП Ханты-Мансийских городских электрических сетей, подтверждает высокую эффективность функционирования логического алгоритма. При многочисленных ОЗЗ во внешней сети неселективных действий защиты отмечено не было, в случаях ОЗЗ на отходящих присоединениях защиты сработали селективно.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6–10 кВ / Библиотечка электротехника; Вып. 11 (035). М.: НТФ «Энергопрогресс», 2001. 104 с.
2. Борухман В.А., Иоэльсон В.И. Способ определения поврежденной электрической линии. А.С. № 136445. Опубл. в «Бюл. изобрет. и товарных знаков», 1961, № 5.
3. Лебедев О.В., Шуин В.А. О защите от замыканий на землю компенсированных кабельных сетей 6–10 кВ с использованием принципа сравнения амплитуд переходных токов // Электричество. 1973. № 12. С. 12–17.
4. Устройство централизованной защиты от однофазных замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью: пат. 88859 Рос. Федерация: МПК7 Н 02 H 3/16 / Горюнов В.А., Ерушин В.П., Тимофеев И.П.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Новосиб. гос. техн. ун-т. – № 2009113749/22; заявл. 13.04.09; опубл. 20.11.09, Бюл. № 32.